基于水分管理的稻田養(yǎng)分流失潛力分析及其擬合預(yù)測(cè)模型

馮國(guó)祿， 楊 斌， 魯棟梁， 田義超

(欽州學(xué)院，廣西欽州 535011)

我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的水體已占63.6%，農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)中的太湖、巢湖、滇池等地的水質(zhì)總氮、總磷含量與20世紀(jì)80年代相比大幅增加。農(nóng)田地表徑流所流失的氮磷，成為我國(guó)南方地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染和河湖水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染的主要來(lái)源[1]。

氮肥、磷肥施入土壤后，由于施肥、排灌水方式不當(dāng)?shù)仍颍蛔魑镂绽玫姆柿狭糠謩e占其總施肥量的30%～35%、15%～25%[2]。目前水稻田的養(yǎng)分流失現(xiàn)象相當(dāng)普遍，已經(jīng)對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了巨大的威脅。陸地生態(tài)系統(tǒng)氮、磷的大量輸入是最終導(dǎo)致湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素，而降水地表徑流及地下排水徑流是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要排放形式。隨著社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，糧食需求量巨增，水體富營(yíng)養(yǎng)化具有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，水體富營(yíng)養(yǎng)化易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)崩潰和物種滅絕，已成為構(gòu)建和諧社會(huì)、建設(shè)生態(tài)良好型社會(huì)過(guò)程中亟待解決的核心水污染問(wèn)題[3-4]。地表徑流氮主要包括顆粒氮和溶解性氮，其中溶解性氮以銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)為主。

控制排水是降低稻田地表徑流損失的重要方式，主要措施包括3個(gè)方面，(1)控制排水時(shí)間，若降水量大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，則應(yīng)延緩降水期間稻田直接向田溝排水的時(shí)間，這有利于增加稻田田面水深度，降低因降水擊濺侵蝕和化學(xué)侵蝕而進(jìn)入地表水中的土壤顆粒和可溶性氮、磷數(shù)量[5]，對(duì)于剛施肥的稻田效果尤其明顯。(2)增加降水后澇水在排水溝中的滯留時(shí)間，這有利于發(fā)揮排水溝濕地功能，促使水中懸移物質(zhì)或顆粒態(tài)的氮、磷沉淀下滲，降低氮、磷的排放濃度，減輕氮、磷對(duì)附近水體的污染[6]。(3)采取零排放水分管理模式，即在水稻的整個(gè)生育期內(nèi)只灌水不排水的稻田水分管理技術(shù)[7]。張志劍等采用零排放水分管理模式進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一季水稻田的溶解態(tài)磷(dissolved phosphorus，簡(jiǎn)稱DP)的凈排放負(fù)荷降為負(fù)值，稻田由輸出磷素的“源”轉(zhuǎn)為截流磷素的“匯”[8]。零排放水分管理模式為減少稻田氮、磷流失提供了新的思路。Takeda等通過(guò)研究得出，在流域系統(tǒng)中，氮、磷的排放負(fù)荷隨著年降水量的增多呈近似線性增加趨勢(shì)，但隨著滯水時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，且在前幾天急劇下降，之后逐漸趨于定值甚至隨著時(shí)間的延長(zhǎng)成為負(fù)值，即流域成為氮、磷的“匯”[9]。

鑒于稻田環(huán)境系統(tǒng)自身的復(fù)雜性、高維性以及各因素之間的非線性關(guān)系，將對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)非線性特征具有很強(qiáng)捕捉能力的后向傳播(back propagation，簡(jiǎn)稱BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]應(yīng)用于氮、磷等養(yǎng)分流失潛力擬合預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過(guò)模擬人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能而設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)[8]，與傳統(tǒng)方法相比，具有模糊的數(shù)據(jù)、須要決定的模式特征不明確、數(shù)據(jù)本身非線性、隨機(jī)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)中含有較多的噪聲等優(yōu)勢(shì)[10-12]。其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因解決了多層前饋網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)問(wèn)題而成為目前最流行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于農(nóng)田土壤氮、磷形態(tài)與轉(zhuǎn)化過(guò)程的研究較多，而在水分管理方面的研究報(bào)道卻相對(duì)較少，因此，研究施肥及水分管理對(duì)稻田氮、磷養(yǎng)分流失潛力的影響，對(duì)控制氮、磷流失、保護(hù)環(huán)境具有較好的科學(xué)意義。為盡量減輕試驗(yàn)立地條件受外界較大隨機(jī)性春季降水過(guò)程的影響，本研究采用滯水時(shí)間控制與單排單灌水分管理系統(tǒng)相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)以春插面肥種類和蓄水深度為試驗(yàn)因素(2因素3水平)的小區(qū)模擬試驗(yàn)，對(duì)田面水中氮、磷養(yǎng)分流失潛力的動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。另外，以3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為工具，選取春插面肥種類、蓄水深度、動(dòng)態(tài)時(shí)間等3個(gè)指標(biāo)作為輸入結(jié)點(diǎn)，以非點(diǎn)源污染物(氮、磷等養(yǎng)分)流失潛力作為輸出指標(biāo)，應(yīng)用Matlab R2014a?軟件對(duì)采集的樣本進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，獲得氮、磷等養(yǎng)分流失潛力擬合預(yù)測(cè)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行誤差檢驗(yàn)。本研究旨在為我國(guó)南方稻田的有效水分管理提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在廣西壯族自治區(qū)欽州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所進(jìn)行，地處20°53′～22°42′ N，107°27′～109°56′ E之間，年平均氣溫為22 ℃，年平均降水量為1 600 mm。供試土壤為水稻土，其基本理化性狀：有機(jī)質(zhì)含量為18.5 g/kg，總氮(total nitrogen，簡(jiǎn)稱TN)含量為0.95 g/kg，總磷(total phosphorus，簡(jiǎn)稱TP)含量為0.87 g/kg，總鉀(total kalium，簡(jiǎn)稱TK)含量為0.34%，水解性氮(N)含量為195 mg/kg，有效磷(P)含量為50.1 mg/kg，速效鉀(K)含量為97 mg/kg，pH值為6.34。供試肥料為固體復(fù)合肥、液體復(fù)合肥以及單質(zhì)混合肥(由尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀等混合而成)，其施肥量均為750 kg/hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2015年4月中旬進(jìn)行春耕試驗(yàn)。以春插面肥種類為試驗(yàn)因素之一，將春插面肥種類的3個(gè)水平分別設(shè)為固體復(fù)合肥、液體復(fù)合肥、單質(zhì)混合肥，分別表示為F1(N ∶P2O5∶K2O=21 ∶6 ∶13)、F2(N ∶P ∶K=3 ∶1 ∶1)、F3(尿素 17.1%、過(guò)磷酸鈣12.0%、氯化鉀60.0%)。以蓄水深度為另一試驗(yàn)因素，設(shè)蓄水深度為3、6、9 cm 3個(gè)水平，分別表示為H3、H6、H9。

應(yīng)用SPSS軟件對(duì)以春插面肥種類和蓄水深度為試驗(yàn)因素的春耕試驗(yàn)進(jìn)行L9(32)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。各試驗(yàn)小區(qū)面積為 18 m2，小區(qū)田埂筑高0.4 m，并用塑料薄膜包被(入土 0.45 m)，以減少側(cè)滲和串流。在試驗(yàn)大田中建立1個(gè)獨(dú)立的單排單灌水分管理系統(tǒng)，春耕用水由當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田灌溉系統(tǒng)提供。

本研究的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中有9個(gè)試驗(yàn)組合，每個(gè)組合設(shè)3次重復(fù)，共計(jì)27個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列(圖1、圖2)。

1.3 樣品采集

模擬春耕時(shí)將肥料施入大田與土壤耕作層混合均勻以提高肥效的方法， 于施肥處理完成0、1、3、5、7、9 d后，分別從模擬小區(qū)稻田中采水樣帶回實(shí)驗(yàn)室并立即測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

水樣各指標(biāo)測(cè)定方法[13]：總氮含量采用硫酸鉀氧化-紫外分光光度法進(jìn)行測(cè)定；銨態(tài)氮(NH4+-N)含量的測(cè)定參照GB/T 7479—1987《水質(zhì) 銨的測(cè)定 納氏試劑比色法》；硝態(tài)氮(NO3--N)含量的參照GB/T 7480—1987《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測(cè)定 酚二磺分光酸光度法》；總磷含量的測(cè)定參照GB/T 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》。

采用瞬時(shí)養(yǎng)分絕對(duì)流失量法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，具體公式為

ΔQi=A×Ci×Xi。

式中：A為稻田小區(qū)面積；Ci為各采樣時(shí)間(D)各指標(biāo)的濃度；Xi為蓄水高度。由于各小區(qū)面積一致，而H6、H9處理的蓄水深度又分別是H3處理的2、3倍，假定在各采樣時(shí)間點(diǎn)小區(qū)稻田田面水中短時(shí)內(nèi)迅速全部排干，H3處理的養(yǎng)分相對(duì)流失量為&Qai=Ci×Xi，則H6處理的相對(duì)流失量為&Qbi=2Ci×Xi，H9處理的相對(duì)流失量為&Qci=3Ci×Xi，以此來(lái)分析田面水中各指標(biāo)的相對(duì)流失潛力。各指標(biāo)的相對(duì)流失量為3次重復(fù)數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO3--N、NH4+-N相對(duì)流失量分析

由圖3可知，施用F1后，H3F1、H6F1、H9F1處理中的NO3--N相對(duì)流失量在施肥1 d后達(dá)到較大值，分別為69.15、119.10、36.16 mg，且3個(gè)處理從施肥后1 d至5 d均保持較高的NO3--N相對(duì)流失量水平，施肥5 d后田面水中的 NO3--N 相對(duì)流失量呈下降趨勢(shì)，但總體上表現(xiàn)為H6處理>H3處理>H9處理。其他處理在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中 NO3--N 的相對(duì)流失量均處于較低的水平。說(shuō)明施用F1后，固體復(fù)合肥中的氮元素容易在土壤中微生物的硝化作用下迅速釋放出來(lái)。而施用F2和F3，則由于土壤微生物對(duì)其硝化作用相對(duì)較弱，致使釋放至田面水中的NO3--N處于較低的水平。因此，從減少田面水中NO3--N的流失潛力看，施用F2和F3比施用F1的減排效果更佳。

由圖4可知，除H9F1、H3F3、H9F3處理外，其他處理小區(qū)的NH4+-N相對(duì)流失量在施肥1 d后均處于較高水平，其中H6F2處理的最高，達(dá)151.26 mg；H3F2處理的相對(duì)較低，為 48.24 mg；H9H1處理的最低，為15.27 mg。其中H3F1、H9F2、H3F2、H6F3、H3F3、H9F3等處理的NH4+-N相對(duì)流失量在施肥1 d后呈下降趨勢(shì)，至施肥5 d后處于較低水平，而H6F2、H6F1處理在整個(gè)試驗(yàn)階段均處于較高水平。因此，將H9F3、H3F3處理滯水至施肥5 d后排放，可有效減少田面水中NH4+-N的流失。

2.2 TP、TN相對(duì)流失量分析

由圖5可見，在施肥1 d后，H9F2、H6F2、H6F1處理的TP相對(duì)流失量達(dá)到峰值，其中H9F2處理最高，達(dá) 118.29 mg，而H6F3、H3F2處理的TP相對(duì)流失量則于3 d后達(dá)到峰值。施肥5 d后，H3F2、H9F3處理的TP相對(duì)流失量逐漸下降至較低水平，分別為18.61、27.21 mg。因此，從減少TP流失潛力看，將H3F2、H9F3處理滯水至施肥5 d后排水是較為安全的措施。

由圖6可見，各處理田面水中TN的相對(duì)流失量均于施肥1 d后達(dá)到峰值，其中H6F2處理的最高，為521.64 mg；施肥3 d后，田面水中TN的相對(duì)流失量迅速下降，其中H3F3、H9F3、H6F3處理的TN相對(duì)流失量較低，為15.90～50.90 mg。因此，將H3F3、H9F3、H6F3處理滯水至施肥3 d后排水，可有效減少田面水中TN的流失。

2.3 氮、磷等養(yǎng)分流失潛力擬合預(yù)測(cè)模型分析

本研究在進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算時(shí)，以春插面肥種類、蓄水深度、動(dòng)態(tài)時(shí)間等3個(gè)指標(biāo)作為輸入結(jié)點(diǎn)，以非點(diǎn)源污染物(氮、磷等養(yǎng)分)流失潛力作為輸出指標(biāo)，在數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，由于氮、磷等養(yǎng)分流失數(shù)據(jù)變化幅度較大，會(huì)對(duì)模型的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，為解決這一問(wèn)題，將實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化處理能夠加快神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂。因此，應(yīng)用Matlab R2014a?軟件對(duì)采集的樣本進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，并對(duì)該模型進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，以獲得氮、磷等養(yǎng)分流失潛力擬合預(yù)測(cè)模型。

將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練材料，訓(xùn)練圖7中建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。將氮、磷等養(yǎng)分流失潛力作為輸出指標(biāo)，通過(guò)模型訓(xùn)練和模型驗(yàn)證，得到面肥種類、蓄水深度以及動(dòng)態(tài)時(shí)間對(duì)稻田田面水中養(yǎng)分流失量的最優(yōu)擬合方程為Output=0.57×Target+0.71，r2=0.569 91，其中Output表示輸出值，Target表示目標(biāo)值。

因此，若已知非點(diǎn)源污染物(氮、磷等養(yǎng)分)流失潛力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則可以通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出基于面肥種類、蓄水深度、動(dòng)態(tài)時(shí)間的春耕稻田養(yǎng)分流失潛力的擬合預(yù)測(cè)模型。

3 結(jié)論與討論

采用室外微區(qū)模擬稻田春耕施肥耕整試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3、6、9 cm等3個(gè)不同蓄水深度處理田面水中的氮、磷濃度變化與土壤中的氮、磷釋放密切相關(guān)[14]。稻田春耕耕整后滯水緩排技術(shù)可以減少春耕稻田隨排(退)水遷移流失的氮、磷污染物，有效減輕春季農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[15]?；适┤牒? d內(nèi)田面水中的總氮、總磷含量明顯衰減，并于施肥8 d后趨于穩(wěn)定，且處于較低水平[16]。春耕稻田撒施固體復(fù)合肥，在蓄水 5～6 cm 的條件下，于第5天或第7天排水，減排降污效果顯著；與第3天排水相比，第5天排水可減少排放的總氮21.22%～55.41%、總磷為67.67%～83.70%[14]。雖然提高排水堰高度田面水中的TN、TP濃度有所降低，但并不能降低其潛在流失量?？厮疁胖潦┓?～7 d后，田面水中的TN和TP流失量較少。從排水方式看，土壤耕整后先采取控水至9 cm或6 cm的深度，然后再排水至3 cm控水深度的排水方式模擬稻田田面水中的TN、TP流失量，總體上可分別減少33.33%～50.00%、34.48%～50.00%[17]。

綜上所述，就本試驗(yàn)的春耕稻田TP和TN流失潛力而言，施用單質(zhì)混合肥，進(jìn)行蓄水9 cm處理，并滯水至施肥后 5 d 排干田面水是一種清潔的水分管理模式。同時(shí)，利用氮、磷等養(yǎng)分流失潛力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出基于面肥種類、蓄水深度以及動(dòng)態(tài)時(shí)間的春耕稻田養(yǎng)分流失潛力的擬合預(yù)測(cè)模型為Output=0.57×Target+0.71，r2=0.569 91。